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Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen, Block für Block

25. Januar 2022 von Bruce Rose – Lesezeit: 5 Minuten

Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen, Block für Block

Einführung

Auch wenn Sie in Ihren Projekten Netzteile spezifizieren und verwenden, können diese eine „Black Box“ mit unbekanntem Innenleben sein. Sie müssen zwar kein Experte für die Entwicklung von Netzteilen sein, aber es ist von Vorteil, wenn Sie die Grundbausteine von Stromversorgungen verstehen. In diesem Artikel stellen wir Ihnen die Topologie eines Netzteils vor und besprechen die einzelnen internen Funktionsblöcke, um Ihnen ein grundlegendes Verständnis der wichtigsten Schaltungen in Netzteilen zu vermitteln.

Das Innenleben von Netzteilen

Das Blockdiagramm in Abbildung 1 ist repräsentativ für viele Wechselstrom- oder Gleichstromnetzteile. Im Blockdiagramm unterscheidet sich die Wechselstrom- von der Gleichstrom-Eingangsversorgung durch den Diodenbrückengleichrichter. Eine Gleichrichterschaltung (Dioden D1, D2, D3, D4) ist bei AC/DC-Netzteilen erforderlich und wird bei DC/DC-Netzteilen nicht benötigt, ansonsten können die Topologien der Netzteile identisch sein.

Vereinfachtes Blockdiagramm eines AC/DC-Schaltnetzteils
Abb. 1: Vereinfachtes Blockdiagramm eines AC/DC-Schaltnetzteils

EMI/EMV-Filter

Der EMI/EMV-Filterblock kann entweder vom Entwickler des Netzteils intern in das Netzteil eingebaut werden oder vom Benutzer des Netzteils als externe Komponente hinzugefügt werden. Die EMI/EMV-Komponenten können für die folgenden Funktionen erforderlich sein:

  • Minimierung des abgestrahlten und leitungsgebundenen Rauschens am Eingang des Netzteils
  • Minimierung der Auswirkungen von Spannungstransienten, die von der Eingangsspannungsquelle ausgehen
  • Minimierung des Eingangsstoßstroms beim ersten Anlegen der Spannung am Eingang des Netzteils
  • Schutz der Eingangsstromquelle und der Leitungen bei einem Ausfall der Stromversorgung

Wenn die EMI/EMV-Komponenten im Netzteil integriert sind, hat das Entwicklungsteam die Komponenten auf der Grundlage des maximalen Nennausgangsstroms an einer ohmschen Last ausgewählt. Ihre Anwendung wird wahrscheinlich nicht unter denselben Bedingungen arbeiten, wie sie vom Entwicklungsteam bewertet wurden. Daher kann es sein, dass Sie zusätzliche externe Komponenten benötigen, damit Ihr System die EMI/EMV-Anforderungen erfüllt, selbst wenn das Netzteil bereits interne EMI/EMV-Komponenten enthält.

EMI/EMV-Eingangsfilter
Abb. 2: EMI/EMV-Eingangsfilter

Dioden-Brückengleichrichter

Wie bereits erwähnt, wird der Diodenbrückengleichrichter verwendet, um die Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung für die Stromversorgung umzuwandeln. Die Gleichrichterschaltung ist in einem Netzteil, das nur für eine Eingangsgleichspannung ausgelegt ist, nicht vorhanden, da die Gleichspannung bereits vorhanden ist. Viele Netzteile, die für eine Wechselstrom-Eingangsspannung ausgelegt sind, sind jedoch auch für die Versorgung mit einer Gleichstrom-Eingangsspannung geeignet. Wenn eine Gleichspannung mit einer Diodenbrücke am Eingang des Netzteils angelegt wird, kann die Gleichspannung in beiden Polaritäten angeschlossen werden. Sie durchläuft die Dioden und erscheint auf dem Eingangskondensator.

Dioden-Brückengleichrichter
Abb. 3: Dioden-Brückengleichrichter

Eingangsstützkondensator

Der Eingangsstützkondensator filtert die Gleichspannung von den Gleichrichterdioden in AC/DC-Netzteilen und fungiert als Eingangsfilter in DC-DC-Netzteilen. Wenn die Eingangsspannung zum ersten Mal an eine Stromversorgung angelegt wird, beträgt die Spannung über dem Eingangs-Massenkondensator 0 V. Dieser Spannungsunterschied zwischen der angelegten Spannung und der Stützkondensatorspannung kann zu einem großen Eingangsstoßstrom führen, während der Stützkondensator auf die Eingangsspannung aufgeladen wird. Dieser Einschaltstrom kann ein Problem darstellen, da er das 100-Fache des normalen Eingangsstroms betragen kann. Oft wird ein Einschaltstrombegrenzer, der einfach nur ein kleiner Widerstand sein kann, in Reihe mit der Eingangsspannungsklemme geschaltet, um den Einschaltstrom zu begrenzen.

Bei einem DC/DC-Netzteil kann der Eingangsstützkondensator dazu beitragen, die Impedanz der Eingangsleiter zu kompensieren und die dynamische Eingangsimpedanz des Netzteils zu stabilisieren. Auf dieser Webseite finden Sie weitere Informationen über die Eingangsimpedanz eines Netzteils und darüber, wie sie ein Netzteil zum Oszillieren bringen kann.

Eingangsstützkondensator
Abb. 4: Eingangsstützkondensator

Eingangsleistungsschalter

Der elektronische Schalter (gezeichnet als MOSFET) wandelt die Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung um, so dass der Strom durch die Isolationsmagnete (Transformator oder gekoppelte Induktoren) geleitet werden kann. Die Einschaltdauer des Eingangssteuersignals und damit des Ausgangssignals des Leistungsschalters ist abhängig von der Topologie der Stromversorgung, der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und dem Ausgangslaststrom. Bei AC-DC-Versorgungen liegt der Grund für die Umwandlung der Wechselstrom-Eingangsspannung in Gleichstrom und dann zurück in Wechselstrom darin, dass die interne Wechselstromfrequenz viel höher ist (einige zehn Kilohertz bis einige zehn Megahertz) und daher kleinere Isolationsmagnete und Ausgangsfilterkomponenten gewählt werden können. Außerdem kann die interne Wechselstromwellenform als Teil der Stromwandlungstopologie moduliert werden.

Eingangsleistungsschalter
Abb. 5: Eingangsleistungsschalter

Magnetische Isolierung

Das gemeinsame Element, das für die Isolationsmagnetik verwendet wird, ist entweder ein Transformator oder gekoppelte Induktoren. Bei einem Transformator oder einer gekoppelten Induktivität befinden sich eine oder mehrere Wicklungen sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite der Isolationssperre. Bei der Konstruktion des Isolationsmagneten kommt es zu parasitären Kapazitäten zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen. Diese parasitäre Kapazität kann eine Quelle von EMI/EMV-Problemen sein, die behandelt werden müssen und auf die in einem separaten Webartikel eingegangen wird. Das Diagramm in Abbildung 6 zeigt die mit den Wicklungen verbundenen parasitären Kapazitäten. Es sollte angemerkt werden, dass die Kapazität in der Praxis nicht ein konzentriertes Element ist, wie im Diagramm dargestellt, sondern über und zwischen den Wicklungen verteilt ist.

Isolationsmagnete mit einem konzentrierten Kondensator, der die parasitäre Kapazität darstellt
Abb. 6: Isolationsmagnete mit einem konzentrierten Kondensator, der die parasitäre Kapazität darstellt

Ausgangsgleichrichter

Die Ausgangsspannung der Isolationsmagnete ist eine Wechselspannung und muss gleichgerichtet werden, um eine Gleichspannung zu erzeugen. Für die Gleichrichtung kann entweder eine passive Schaltung (Dioden) oder eine aktive Schaltung (FETs) verwendet werden. Die Gleichrichterschaltung kann eine Halbwellen-, Vollwellen- oder eine andere Konfiguration sein, je nach den Anforderungen an die Ausgangsspannung und die Konstruktion der Isolationsmagnete. Diodengleichrichter sind kostengünstig und einfach zu konstruieren, aber die Verlustleistung ist größer als bei einer aktiven FET-Gleichrichterschaltung.

Ausgangsgleichrichter
Abb. 7: Ausgangsgleichrichter

Ausgangsfilter

Der Ausgangsgleichrichter erzeugt eine Gleichspannung, der eine Wechselspannung überlagert ist. Ohne Ausgangsfilterung entspricht der Spitzenwert des Wechselstromrauschens dem der Gleichspannung und ist für die meisten Anwendungen inakzeptabel. Der Basisausgangsfilter besteht aus einem oder mehreren Kondensatoren, die über die Ausgangsspannung gelegt werden. Die Ausgangsfilterung kann durch Hinzufügen einer Serieninduktivität verbessert werden, um entweder einen „L“-Filter oder einen „Pi“-Filter zu erzeugen. Der Ausgangsfilter wird manchmal eingesetzt, um EMI/EMV-Emissionen zu unterdrücken. Ausgangsfilter sind am effektivsten, wenn die Komponenten in der Nähe der Stromversorgungslast platziert werden. Die Platzierung der Filterkomponenten in der Nähe der Last minimiert den durch Schwankungen des Laststroms verursachten Spannungsabfall auf den Leitern.

Ausgangsfilterkondensator
Abb. 8: Ausgangsfilterkondensator

Spannungs-, Strom- und Temperaturregelung

Schaltungen zur Regulierung der Ausgangsspannung, des Ausgangsstroms und der maximalen Temperatur des Netzteils sind sowohl in AC/DC- als auch in DC/DC-Netzteilen enthalten. Diese Steuerschaltungen weisen komplexe Sätze von Eigenschaften auf und werden in einem separaten Webartikel erörtert.

Fazit

In dieser Abhandlung wurden die internen Funktionen der AC-DC- und DC-DC-Netzteile auf hohem Niveau behandelt. In anderen Artikeln besprechen wir die Funktionen zur Regelung des Ausgangs des Netzteils, die Methoden zum Schutz des Netzteils und der Last vor schädlichem Betrieb, die Komponenten, die zur Einhaltung der EMI- und EMV-Vorschriften erforderlich sind, und die Auswirkungen von Änderungen an den technischen Daten des Netzteils. Bitte wenden Sie sich an die CUI-Vertriebs- und Kundensupportteams, um weitere Informationen zu den in diesem Artikel behandelten Themen zu erhalten, wenn Sie Fragen dazu haben, wie diese für das für Ihr Projekt ausgewählte Netzteil gelten.

Kategorien: Grundlagen, Produktauswahl

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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